中国联通研究院发布：5G网联无人机系统应用关键问题

中国联通研究院认真贯彻落实国家战略部署，肩负起科技自立自强这一时代使命，自2017年起组建专业无人机团队，积极开展网联无人机产业系统性创新，在业内率先提出“端、网、业、管”四位一体的网联无人机解决方案。近日，团队最新研究成果《端、网、业、管——5G网联无人机系统应用关键问题》发表于《通信信息技术》期刊。文章围绕低空网络优化、系统网络改造和系统安全建设三个方面，针对导航系统、飞控信号和通信链路等可能影响5G网联无人机系统应用的安全隐患，提出相应解决方案，保障5G网联无人机系统得到有效、高效应用，实现网联无人机系统的有效应用。

以下为文章全文：

引言。

随着低空经济这一概念首次写入国家规划[1]，其带动的低空应用市场正以肉眼可见的速度增长，并逐步迈向高质量发展阶段。无人机是新技术和先进生产力的重要载体，已成为低空经济产业密集创新、高速增长的战略机遇[2]。得益于无人化、智能化、安全、高效等显著优势，无人机不断向垂直领域纵深渗透，由此催生了“无人机+行业应用”的数字化治理新模式。然而，尽管无人机应用前景广阔，但仍存在监管难、测控技术落后等痛点，始终未能实现真正的商业化规模应用。现有无人机系统由飞行平台（无人机）和地面控制站组成，飞行平台会根据不同任务选择搭载相应的功能载荷，例如光电吊舱、喊话器和专用作业设备（灭火器、水质采样器等）。在这一系统中，通信和数据交互仅限于无人机与地面控制站之间。就监管而言，系统产生的数据和信息分散在上述各个无人机系统中，给集中管理带来很大困难。就测控而言，系统采用点对点通信，受设备无线发射功率有限以及需保持视距通信环境畅通等因素限制，有效通信距离无法满足各行业多样化需求。

因此，亟需通过技术手段突破现有无人机系统固有的应用局限。5G网络具备超高带宽、毫秒级时延和超高密度连接等优势[3]。自商用以来，5G迅速应用于众多亟需创新转型抓手的领域，无人机行业应用便是其中之一。

顾名思义，5G网联无人机是利用5G网络进行远程或程序化控制的无人机[4]。它基于现有无人机系统，通过改造和替换，将原有点对点通信链路替换为5G通信链路，同时进一步将地面控制站的所有功能整合到云平台，从而解决测控距离有限和数据孤岛这一核心痛点，减少专业人员投入，提升系统智能化、无人化水平，促进产业融合，赋能广泛的行业应用需求。

然而，5G网联无人机要实现上述应用效果，仍需在以下关键方面取得实质性突破。首先，5G网联无人机最显著的特点是利用5G通信链路实现无人机入网，因此低空网络的信号质量决定了5G网联无人机系统应用的可靠性。可以说，低空网络的建设、规划和优化是5G网联无人机落地应用的前提。其次，如何对无人机系统进行改造以实现5G网络连接，以及改造后的系统如何广泛应用于更多场景，是影响5G网联无人机有效应用的重要问题。最后，无人机“黑飞”事件频发[5]，因此需要重点论证5G网联无人机系统的安全性：一方面要结合行业应用的不同需求，另一方面要兼顾应用落地过程中的风险规避。

1. 低空网络问题分析与建议

低空网络与地面网络的主要区别在于：无线信号在地面网络中的传播过程受到更多遮挡和干扰；而低空空域相对纯净，信号以视距方式传播，导致低空网络信号更加杂乱。同时，信号可能经由距基站数公里的路径，通过大气波导传播[6]，并跨多个小区造成干扰覆盖，使低空网络环境更加复杂，难以处理。

1.1 低空网络实际飞行测试情况

针对低空网络环境的不确定性，选取湖南常德一处面积为31.38km2的区域开展实际飞行测试，频段和带宽分别为5G N1 20/40MHz、4G B3 20MHz、4G B1 20MHz和4G B8 10MHz。测试使用搭载自研机载终端的多旋翼无人机采集飞行数据，并通过采集到的日志文件分析飞行中的低空网络数据。飞行测试总体情况如表1所示。

通过测试可得出以下主要结论：

1）虽然基站天线向下倾斜，但自由空间传播条件弥补了天线增益的下降，因此在与站点水平距离适当的前提下，终端在200m～300m高度仍可接收到较强信号；

2）受5G小区数量少于4G小区的限制，且5G频段明显高于4G频段，5G小区的覆盖能力明显弱于4G小区；

3）与地面相比，低空网络环境下的5G和4G小区SINR（信干噪比，用于描述接收信号强度与接收干扰信号之比，是表征链路质量的重要参数）均较低，表明测试所处低空环境中的干扰高于地面；

4）在飞行测试日志中，即使没有进行吞吐量测试操作，也能观察到来自数公里外多个小区的信号；

5）飞行测试日志中既未观察到5G切换至4G，也未观察到4G切换至5G。终端仅在无线链路失败且5G小区停止服务后重新注册到4G网络，并驻留在4G网络，因此高速飞行时不同制式之间的切换更加困难。上行吞吐量测试的具体表现如表2所示。根据上行吞吐量测试的具体结果，还可得出以下结论：

1）上行调度率达到88%以上，说明飞行测试期间基站接收到的上行业务总量较低，即使使用面向地面公众用户的商用网络也是如此；

2）在4G和5G网络中，物理上行共享信道发射功率均接近终端23dBm的最大发射功率，表明终端在上行业务期间几乎以满功率发射。

200m和300m不同高度处的RSRP如图1所示。从图1可得出以下结论：

1）在200m和300m高度，RSRP的波动范围基本在-110～-100dBm之间，基本可以满足1080P视频传输的信道条件；

2）200m和300m高度处的RSRP分布基本相同，即300m以下高度对RSRP的影响较小。300m高度处的SINR如图2所示。

由图2可见，基站覆盖有限、缺乏合格的主服务小区信号，以及高空自由空间传播条件良好导致的小区间干扰相对较强等因素，共同造成下行SINR整体偏低，SINR≤12dB的概率达到63%。

1.2 低空网络建设规划建议

1.2.1 公网模式

无人机与地面用户共用地面网络，涉及以下两个方面的调整和优化。

1) 基站初始规划：为使基站发射的大部分信号能量能够辐射到无人机飞行区域，同时减少对相邻小区区域的干扰，在初始设置天线下倾角时，应尽可能使天线主瓣的半功率点与覆盖区域边缘对齐，以实现SINR最优，并解决空中SINR差异问题。同时，PRACH前导序列Preamble选用长格式[7]，以增加基站的覆盖距离。

2) 采用切片机制或QoS独立保障机制：无人机用户与普通地面终端用户共用地面基础服务网络。对于执行任务的无人机，可根据不同无人机运行场景的需求，采用QoS、切片等保障机制，对QoS或切片等设置进行区分，划分不同的时延、可靠性要求等，从逻辑网络层面将无人机业务与普通地面终端用户业务隔离。同时，采用切片保障机制后，由于各切片彼此隔离，每个切片都拥有逻辑上独立的网络组件和网络资源，因此各切片互不干扰，进一步保障业务流程的独立性和安全性。

1.2.2 专网模式

在专网模式下[8]，无人机业务与普通地面终端用户在物理网络和逻辑网络上完全隔离，并根据需求为用户建设专属物理网络，以服务特定的无人机业务场景。专网模式需要新建覆盖频谱、无线、传输网、核心网等环节的物理网络通道，缺点是投资成本高，优点是网络服务专属性强，能够提供最高水平的网络质量和稳定性保障，为用户带来最佳业务体验。

2. 5G网络连接无人机系统的实现方案

现有系统由空中子系统、地面子系统、无线通信子系统等组成。其中，空中子系统是无人机系统中最基本、最重要的组成部分，由飞行平台、动力单元、控制与导航、任务载荷等单元模块构成。地面子系统主要包括任务规划、控制处理、数据处理、综合无线通信等功能。其中，任务规划负责预设任务内容，控制处理承担执行和交互，数据处理负责数据采集、存储和传输。无线通信子系统是维持前端与后端联系的关键单元，其传输介质以无线电波为基础。无线通信链路分为上行链路和下行链路。上行链路负责地面站与无人机之间遥控指令的收发，下行链路主要负责无人机向地面站发送遥测数据、载荷数据等[9]。

在不破坏原有无人机各子系统协同关系的前提下，5G网络连接无人机系统将引入5G通信链路，取代点对点通信链路，从而实现整个系统的无人化智能升级。具体而言，5G网络连接无人机系统通过重塑原有无人机系统中的空中子系统、地面子系统和无线通信子系统来实现。

2.1 无人机机载子系统的网络化改造

无人机空中子系统的网络化改造主要围绕飞行平台展开，通过适配载荷或嵌入集成具备5G网络接入能力的机载通信终端，即5G机载网络连接通信终端。5G机载NFC终端将与控制和导航、任务载荷等单元模块进行软硬件适配。其中，5G机载NFC终端通过RS232/422/485、TTL等硬件标准串行通信接口连接无人机控制与导航模块，并通过轮询获取相应的飞行数据，再借助5G通信链路将这部分数据传输至后端设备或服务器。同时，5G机载NFC终端能够解析、二次封装并转发无人机控制与导航模块信息的定义和格式。5G机载NFC终端与无人机任务载荷模块（视频传输是无人机应用的主要业务[10]，以光电吊舱为例）可通过高清晰度多媒体接口和数字分量串行接口硬件连接，获取无人机飞行过程中产生的视频数据，再借助5G通信链路将这部分数据传输至后端设备或服务器，实现实时数据获取。无人机飞行过程中产生的视频数据可采用实时消息传输协议（RTMP）、实时传输协议（RTC）、安全可靠传输协议（SRT）等开源或私有流媒体标准，以及高级视频编码（H.264/AVC）、高效视频编码（H.265/HEVC）等编解码标准进行处理和转发，并可通过RJ45等网线接口连接，供5G飞行器使用。也可通过RJ45等网线接口连接，由5G机载网络连接通信终端为支持网络数据传输的光电吊舱提供传输链路资源，实现视频数据向后端传输。

2.2 无人机地面子系统的联网改造

无人机地面子系统的网络化改造，是指对能够向无人机发送指令并接收各类（飞行和作业）数据的设备进行改造，这类设备称为地面控制站。现有地面控制站不具备网络接入能力，因此需要加装网卡等硬件，以便基于网络与后端进行通信和交互。如图2所示，在机载前向链路采用点对点通信的场景中，地面控制站通过原有点对点链路与无人机进行双向数据交互，所下达的指令和获取的数据则通过宽带/5G/光纤与后端进行双向交互。但需要注意的是，尽管该方案提高了整个系统的数据开放程度，测控距离仍维持在原有水平。这只是在5G网络连接无人机无法充分实现时（低空网络无法提供有力支撑）的折中方案，并无助于真正实现高度智能化、无人化的整体系统。在低空网络能够满足5G网络连接无人机的所有需求这一前提下，可将地面控制站的所有软件功能进一步集成到云服务器中，并相应地将其从整个系统中彻底移除；前端集成在无人机内部的5G机载网络连接通信终端，则可通过5G无线链路与后端完成双向数据交互。该系统突破了原有无人机系统测控距离受限的局限，即只要有低空网络信号覆盖，就能确保5G网络连接无人机的应用不受时间和空间限制，例如开展异地作业，并推动无人化智能迈出一大步；对于近距离应用，不再需要专业人员操控作业。

2.3 无人机无线通信子系统的联网改造

在无人机无线通信子系统中，由于采用点对点通信，通常配有数传、图传或数图传一体化硬件设备；同时，地面端也需要配备与之匹配的硬件设备，才能实现相关数据的双向传输，但这造成了各无人机系统之间的信息孤岛。此外，点对点通信大多使用公共免许可无线频段，带宽资源相对有限。当无人机应用数量集中增加时，无人机系统将产生严重的同频通信干扰问题。对于同一频段，只能通过使用有限的不同频点错开避让；当无人机数量较少时，这种方式仍可行，但数量大幅增加后便难以持续。此外，随着行业应用场景日趋复杂，一套无人机系统往往需要兼顾多种应用。以公共安全领域为例，无人机在区域内作业时，任务已从最初单纯拍摄视频图像，逐渐转变为既拍摄视频图像，又执行应急处置（如喊话驱散、投放灭火弹等）。这会进一步放大点对点链路通信资源有限的弊端，甚至在单一视频拍摄任务要求达到4K及更高分辨率时，也会使链路不堪重负。

如前所述，以5G无线通信取代无人机原有的点对点通信，将为无人机通信提供更多频谱资源，使其能够更从容地应对复杂且要求严苛的应用需求。同时，5G无线链路的汇聚使无人机应用数据能够集中到后端云平台，从而打破原有系统的信息孤岛，简化监管和管理，进一步发挥数据时效性的价值，成为更多行业的赋能工具。

3. 5G网络连接无人机系统的安全分析与对策

随着泛低空领域技术的快速发展，无人机作为泛低空经济中的典型形态，已广泛应用于农业植保、电力巡检、城市道路巡查、应急救援等行业领域。然而，在行业应用不断拓展的同时，无人机进入各垂直领域后面临的系统和网络安全问题也日益凸显。传统无人机在各种场景大规模使用的过程中暴露出一系列安全风险和监管漏洞，这些安全问题将对社会和个人产生一定影响，需要从技术层面加以改进和强化。

3.1 无人机系统安全风险类型

1) 导航系统攻击。导航信息欺骗的原理是向无人机控制系统发送虚假的地理位置坐标，从而控制导航系统，诱导无人机飞往错误位置。由于无人机始终接收来自信号最强源的GPS信号，只要地面人工GPS信号足够强，就能覆盖真实GPS信号，进而欺骗无人机的定位接收模块。

2) 飞控信号劫持。由于无线信号是无人机与控制器之间的主要通信手段，对无线信号的攻击会直接影响无人机的正常运行，甚至取得无人机的控制权。攻击者利用干扰设备产生无人机飞控干扰信号以及卫星定位干扰信号，通过阻断无人机的上行飞控信道和卫星定位信道，使其失去飞控指令和卫星定位信息，无法正常飞行。根据无人机的设计不同，这类攻击可能导致无人机返航、降落或坠毁。

3) 通信链路攻击。针对这些通信链路实施干扰、窃听，甚至拦截和篡改等信息安全攻击，都会直接影响无人机。当前，无人机地空通信链路普遍存在频点公开、链路透明、缺乏保密措施等严重问题，极易成为各种攻击手段的目标[11]。

3.2 5G联网无人机安全技术策略

本文提出多种网络安全技术，主要通过5G网络保障无线空口的机密性、完整性和可用性。通过射频指纹识别、轻量级认证、无线传输加密、信号抗干扰等安全防护手段，在物理层、链路层和网络层各个层面保障合法终端接入网络，并防御窃听、劫持、篡改等无人机系统攻击[11]。

1) 射频指纹识别。对于联网无人机系统，在无人机终端通过通信网络接入平台系统之前，需要进行信号识别和授权，以确保无人机的合法性；无人机系统可通过射频指纹识别技术实现通信信号认证。射频指纹识别技术通过信号处理手段提取采集到的无线信号特征，建立无人机终端射频指纹库，通信双方采用射频指纹识别和检测方法，从而识别无人机终端，实现辐射源设备的个体识别，并发现和阻断非法终端连接。近年来，与辐射源个体识别技术相关的理论和实际应用不断完善，指纹特征提取方法的研究也取得了长足进展。

2) 轻量级认证。针对联网无人机动态变化、通信带宽较窄等特点，采用轻量级认证协议可实现无人机安全认证，防止非法和伪造用户接入。轻量级认证协议着重采用轻量级认证算法，主要目的是简化认证交互次数和交互数据量，同时兼顾通信的机密性、完整性和不可否认性；该协议主要实现无人机密钥管理和身份认证功能。轻量级认证方法主要分为中心化无人机网络认证和无中心化无人机网络认证：前者由管理中心为无人机分发密钥并提供身份认证功能；后者采用门限密钥技术，由网络中的多个节点共同参与密钥生成和认证[12]。

3) 无线传输加密。由于无人机终端与平台系统之间会传输大量重要敏感数据，因此有必要在链路层和网络层对通过无线网络传输的敏感数据进行加密，包括采用国密SM算法、祖冲之算法等，实现无人机终端与平台系统之间的端到端加密，确保无线网络中传输数据的机密性和完整性。重要数据通过加密模块或软件加密后传输至网络，在整个网络传输过程中，数据包始终处于加密状态；平台系统的解密模块或软件对对端的数据进行解密后再存储，从而确保空中数据传输的安全性和保密性。

4) 信号抗干扰。目前，国内外无人机网络抗干扰技术的研究主要集中在跳频扩频、频谱资源分配优化等方面。跳频扩频技术主要通过快速切换频率载波，主动避开干扰攻击，长期以来一直用于提高无线通信的抗干扰能力。频谱资源优化技术通过最优利用可用频谱资源实现抗干扰，并采用自适应方法达到最佳资源分配效果。此外，还可利用“蜜罐”欺骗机制，将网络中的空闲节点伪装成传输节点，诱使干扰方对其实施干扰，从而提高网络中传输对的传输性能[13]。

4. 结论

未来，随着地面通信基础设施持续建设并逐步完善，以及功能技术不断迭代，5G网络连接无人机系统将生动诠释无人化和智能化的内涵。5G网络连接能力将助力无人机转型为更加智能、自主的应用系统，以满足更加多元、丰富的行业应用领域和场景需求，使无人机应用不再受专业门槛限制，并推动低空经济持续发展。此外，相关发展将真正进入规划和推广阶段，从而开启低空经济高质量发展的崭新篇章。